- Punjenje super-kondenzatora
- Energija pohranjena u super kondenzator
- Identificiranje polariteta na super kondenzatoru
- Potrebni materijali
- Kružni dijagram
- Simulacija kruga punjača superkondenzatora
- Punjač superkondenzatora na hardveru
- Poboljšanja dizajna
Pojam superkondenzatori i njegova moguća upotreba u električnim vozilima, pametnim telefonima i IoT uređajima opsežno se razmatraju u novije vrijeme, ali ideja samog super kondenzatora datira iz 1957. godine kada ga je General Electric prvi put eksperimentirao kako bi povećao skladišni kapacitet svojih kondenzatori. Tijekom godina tehnologija super kondenzatora znatno se poboljšala i danas se koristi kao sigurnosna kopija baterija, solarne banke i druge aplikacije u kojima je potrebno kratko pojačavanje snage. Mnogi imaju pogrešno mišljenje da super kape dugoročno smatraju zamjenom baterije, ali barem s današnjom tehnologijom superkondenzatori nisu ništa drugo do kondenzatori s velikim kapacitetom punjenja, o superkondenzatorima možete znati više iz naših prethodnih članaka.
U ovom ćemo članku naučiti kako sigurno napuniti takve super kondenzatore dizajniranjem jednostavnog kruga punjača, a zatim ga upotrijebiti za punjenje našeg super kondenzatora kako bismo provjerili koliko je dobar u zadržavanju energije. Slično superkandenzatorima baterijskih ćelija, također se može kombinirati kako bi se stvorile kondenzatorske baterije, pristup punjenju kondenzatorske baterije je drugačiji i izvan je dosega ovog članka. Ovdje ćemo upotrijebiti jednostavan i obično dostupan kondenzator kovanica od 5,5 V 1F koji izgleda slično ćeliji novčića. Naučit ćemo kako napuniti superkondenzator tipa kovanice i koristiti ga u prikladnim aplikacijama.
Punjenje super-kondenzatora
Uspoređujući super kondenzator nejasno s baterijom, super kondenzatori imaju nisku gustoću naboja i lošije karakteristike samopražnjenja, no u smislu vremena punjenja, vijeka trajanja i ciklusa punjenja super kondenzatori nadmašuju baterije. Na temelju dostupnosti struje punjenja super kondenzatori se mogu napuniti za manje od minute, a ako se pravilno postupa s njima, može trajati više od deset godina.
U usporedbi s baterijama super kondenzatori imaju vrlo nisku vrijednost ESR (ekvivalentni serijski otpor) što omogućuje veću vrijednost struje da ulazi ili izlazi iz kondenzatora što mu omogućuje brže punjenje ili pražnjenje jakom strujom. Ali zbog ove sposobnosti rukovanja jakom strujom, super kondenzator treba napuniti i sigurno isprazniti kako bi se spriječio toplinski odbjeg. Kada je riječ o punjenju super-kondenzatora, postoje dva zlatna pravila: kondenzator treba puniti ispravnog polariteta i napona koji ne prelazi 90% ukupnog naponskog kapaciteta.
Super-kondenzatori koji su danas na tržištu obično su nominalno naponi 2,5 V, 2,7 V ili 5,5 V. Baš poput litijeve ćelije, i ovi kondenzatori moraju biti povezani u seriju i paralelno kombinirani kako bi tvorili visokonaponske baterije. Za razliku od baterija, kondenzator kad je povezan u nizu uzajamno će zbrojiti ukupni napon, što znači da je potrebno dodati više kondenzatora kako bi se stvorile baterije prihvatljive vrijednosti. U našem slučaju imamo kondenzator 5,5 V 1F, tako da bi napon punjenja trebao biti 90% od 5,5, što je negdje blizu 4,95 V.
Energija pohranjena u super kondenzator
Kada upotrebljavamo kondenzatore kao elemente za pohranu energije za napajanje naših uređaja, važno je odrediti energiju pohranjenu u kondenzatoru kako bismo predvidjeli koliko dugo se uređaj može napajati. Formule za izračunavanje energije pohranjene u kondenzatoru mogu se dati u obliku E = 1 / 2CV 2. Tako će u našem slučaju za kondenzator od 5,5 V 1F kada se potpuno napuni biti pohranjena energija
E = (1/2) * 1 * 5,5 2 E = 15 džula
Sada pomoću ove vrijednosti možemo izračunati koliko dugo kondenzator može napajati stvari, recimo na primjer trebamo li 500 mA na 5 V tijekom 10 sekundi. Tada se energija potrebna za ovaj uređaj može izračunati pomoću formula Energija = Snaga x vrijeme. Ovdje se snaga izračunava s P = VI, tako da za 500mA i 5V snaga iznosi 2,5 W.
Energija = 2,5 x (10/60 * 60) Energija = 0,00694 vat-sata ili 25 džula
Iz ovoga možemo zaključiti da će nam trebati najmanje dva od ovih kondenzatora paralelno (15 + 15 = 30) da bismo dobili agregat od 30 Joula što će biti dovoljno za napajanje našeg uređaja 10 sekundi.
Identificiranje polariteta na super kondenzatoru
Što se tiče kondenzatora i baterija, trebali bismo biti vrlo oprezni s njegovim polaritetom. Kondenzator s obrnutim polaritetom najvjerojatnije će se zagrijavati i topiti, a ponekad će i puknuti u najgorem slučaju. Kondenzator koji imamo je kovanica, čiji je polaritet označen malom bijelom strelicom kao što je prikazano dolje.
Pretpostavljam da smjer strelice označava smjer struje. Možete to pomisliti kao, struja uvijek teče iz pozitivne u negativnu i stoga strelica počinje s pozitivne strane i usmjerava prema negativnoj strani. Jednom kada spoznate polaritet i ako ga želite napuniti, možete čak upotrijebiti RPS da ga postavite na 5,5 V (ili 4,95 V zbog sigurnosti), a zatim pozitivni vod RPS spojite na pozitivni pin, a negativni na negativni pin i trebali biste vidjeti kako se kondenzator puni.
Na temelju trenutne ocjene RPS-a možete primijetiti da se kondenzator puni u roku od nekoliko sekundi i kad dosegne 5,5 V prestat će crtati više struje. Ovaj se potpuno napunjeni kondenzator sada može koristiti u prikladnoj primjeni prije samopražnjenja.
Umjesto da koristimo RPS u ovom vodiču , izradit ćemo punjač koji regulira 5,5 V od 12 V adaptera i koristiti ga za punjenje super kondenzatora. Napon kondenzatora nadzirat će se pomoću usporedbe op-amp, a nakon što se kondenzator napuni, krug će automatski odvojiti super-kondenzator od izvora napona. Zvuči zanimljivo, pa krenimo.
Potrebni materijali
- 12V adapter
- LM317 IC regulator napona
- LM311
- IRFZ44N
- BC557 PNP tranzistor
- LED
- Otpornik
- Kondenzator
Kružni dijagram
Kompletna shema sklopa za ovaj krug punjača superkondenzatora dana je u nastavku. Krug je nacrtan pomoću softvera Proteus, a simulacija istog prikazat će se kasnije.
Krug napaja adapter od 12V; tada koristimo LM317 za regulaciju 5,5 V za punjenje kondenzatora. Ali ovih 5,5 V kondenzator će dobiti preko MOSFET-a koji djeluje kao prekidač. Ova će se sklopka zatvoriti samo ako napon kondenzatora ima manje od 4,86 V jer se kondenzator puni, a povećanje napona prekidač će se otvoriti i spriječiti daljnje punjenje baterije. Ova usporedba napona vrši se pomoću opcijskog pojačala, a također koristimo BC557 PNP tranzistor da svijetli LED kada je postupak punjenja završen. Gore prikazani shematski prikaz podijeljen je na donje segmente radi objašnjenja.
LM317 Regulacija napona:
Otpornici R1 i R2 koriste se za određivanje izlaznog napona regulatora LM317 na osnovu formula Vout = 1,25 x (1 + R2 / R1). Ovdje smo koristili vrijednost 1k i 3,3k za regulaciju izlaznog napona od 5,3V koji je dovoljno blizu 5,5V. Pomoću našeg mrežnog kalkulatora možete izračunati željeni izlazni napon na temelju vrijednosti otpora koja vam je dostupna.
Komparator op-pojačala:
Koristili smo komparator IC LM311 za usporedbu vrijednosti napona super kondenzatora s fiksnim naponom. Ovaj fiksni napon dobiva se na pin broj 2 pomoću kruga djelitelja napona. Otpornici 2,2k i 1,5k padaju napon od 4,86V sa 12V. Tih 4,86 volta uspoređuje se s naponom ref (napona kondenzatora) koji je spojen na pin 3. Kada je ref napon manji od 4,86 V, izlazni pin 7 povisit će se s 12 V s povučenim otpornikom od 10 k. Taj će se napon tada koristiti za pogon MOSFET-a.
MOSFET i BC557:
IRFZ44N MOSFET se koristi za povezivanje super kondenzator se puni napon na temelju signala iz op-amp. Kad opcijsko pojačalo postane visoko, on daje 12V na pin 7 koji uključuje MOSFET kroz osnovni pin, slično kada opcijsko pojačalo padne (0V), MOSFET će se otvoriti. Također imamo PNP tranzistor BC557 koji će uključiti LED kada je MOSFET isključen, što ukazuje da je napon kondenzatora veći od 4,8 V.
Simulacija kruga punjača superkondenzatora
Da bih simulirao sklop, zamijenio sam bateriju promjenjivim otpornikom kako bih pružio promjenjivi napon na pin 3 op-pojačala. Super kondenzator se zamjenjuje LED-om da bi se pokazalo da li se napaja ili ne. Rezultat simulacije možete pronaći u nastavku.
Kao što vidite kao kod upotrebe naponskih sondi, kada je napon na invertirajućem pinu nizak od neinvertirajućeg pina, opcijsko pojačalo raste s 12 V na pinu 7 koji uključuje MOSFET i tako puni kondenzator (žuta LED). Ovaj 12V također aktivira BC557 tranzistor da isključi zelenu LED. Kako se napon kondenzatora (potenciometra) povećava, uključit će se zelena LED dioda, jer će optičko pojačalo izlaziti 0V, kao što je gore prikazano.
Punjač superkondenzatora na hardveru
Strujni krug je prilično jednostavan i može se konstruirati na ploči s pločama, ali odlučio sam koristiti Perf ploču kako bih mogao ubuduće ponovno koristiti sklop u svakom pokušaju punjenja super kondenzatora. Također ga namjeravam koristiti zajedno sa solarnom pločom za prijenosne projekte, stoga sam je pokušao napraviti što manju i krutu. Moj kompletni krug jednom zalemljen na točkasta ploča prikazan je u nastavku.
Dva ženska berg štapića mogu se prisluškivati pomoću aligatorskih iglica za punjenje kondenzatora. Žuta LED označava napajanje modula, a plava LED status punjenja. Nakon završetka postupka punjenja, LED lampica će zasvijetliti, a i dalje će ostati isključena. Jednom kad je krug spreman, jednostavno spojite kondenzator i trebali biste vidjeti kako se plava LED lampica gasi, a nakon nekog vremena ponovno će se povisiti što znači da je postupak punjenja završen. Ispod možete vidjeti ploču u stanju punjenja i napunjenosti.
Kompletni rad možete pronaći u videozapisu na dnu ove stranice, ako imate problema s postizanjem posla, objavite ih u odjeljku za komentare ili upotrijebite naše forume za druga tehnička pitanja.
Poboljšanja dizajna
Dizajn sklopa koji je ovdje dan je sirov i radi u svoju svrhu; ovdje se govori o nekoliko obveznih poboljšanja koja sam primijetio nakon izrade. BC557 se zagrijava zbog napona od 12 V preko baze i emitora, pa bi umjesto BC557 trebala biti korištena visokonaponska dioda.
Drugo, dok se kondenzatorski punjači komparator napona mjeri promjenu napona, ali kad se MOSFET isključi nakon punjenja, opcijsko pojačalo osjeti pojačanje niskog napona i ponovno uključi FET, taj se postupak ponavlja nekoliko puta prije nego što se opcijsko pojačalo potpuno isključi. Problem će riješiti sklopni krug na izlazu op-pojačala.